Sismik Yapı Elemanlarında Yeni Bir Alternatif: “Burkulması Önlenmiş Çelik Çaprazlar”

Deprem tehlikesi altında inşa edilen yapıların depremin getirdiği etkilere dayanıklı olması son derece önemlidir. Geçmiş yıllarda yaşanılan felaketlerden de edinilen tecrübeler bu zorunluluğun ne kadar hayati olduğunu göstermiştir. Tarih boyunca mühendisler ve akademisyenler depremin yapılar üzerindeki etkilerini en aza indirmeye çalışmak için çeşitli yapı elemanları ve sistemler geliştirmiştir.

Bu yazıda, Japonya’da keşfedilen daha sonra Amerika’da yaygınlaşan, ülkemizde de İzmir’deki bir yüksek yapıda kullanılan “Burkulması Önlenmiş Çaprazlar” hakkında bilgiler verilecektir. Fakat bu konuya girilmeden önce bazı kavramlar açıklanacaktır.

Süneklik Nedir?

Süneklik bir elemanın belirli yüklemeler altında taşıma kapasitesini kaybetmeden kalıcı şekil değiştirebilme yeteneğine denir.

Depremin Yapılar Üzerindeki Yatay Etkileri

Deprem sırasında açığa çıkan enerjiden dolayı zemin yatay doğrultuda hareket eder. Fakat yapı, ataletinden dolayı zeminle aynı anda hareket edemediği için zemin tarafından taban kesme kuvvetine maruz kalır. Bu kuvvet etkisiyle yapı boyunca yükseklik ve geometrisine bağlı olarak çeşitli modlarda global hareketler ve yatay ötelemeler meydana gelir. Yatay ötelemelerin fazla olması demek elemanlarda ikincil mertebe etkilerin meydana gelmesi ve stabilite kaybı sebebiyle yük taşıma kapasitesinin yok olması sonucunda yapının göçmesi demektir.

Yatay Ötelemeler Nasıl Kontrol Altında Tutulur?

Yatay ötelemeler bir yay prensibi olan “F=k.x” ifadesindeki uygulanan kuvvet “F” ile doğru, rijitlik “k” ile ters orantılıdır. Yani kolon gibi düşey taşıyıcı elemanların eğilme rijitlikleriyle orantılıdır. Fakat mimari ve ekonomik açıdan kolon kesitlerinin büyütülmesi bir yere kadar çözüm sağlar. Daha ekonomik ve güvenilir çözümler için yapılarda yatay deformasyonları sınırlayan yapı elemanları kullanılır. Bu elemanlar betonarme binalarda perde duvar, çelik binalarda ise çelik çaprazlardır.d

Çelik Malzemesinin En Büyük Problemi: “Burkulma”

Çelikten üretilmiş yapı elemanlarının en büyük sorunlarından biri burkulma davranışıdır. Burkulma, bir elemanın üretim aşamasındaki hatalar (uluslararası literatürde: initial conditions) ve yeterince narin olması sebebiyle kritik bir basınç yüklemesinden sonra stabilite kaybına uğrayarak yanal deformasyon yapma eğilimine denir.

Burkulma davranışı eğer önlem alınmaz ise çelik kesitlerde basınç kapasitelerine ulaşamadan göçmeye sebebiyet verir. Euler’in ideal burkulma davranışına göre bir elemanın burkulmaması için ya yanal desteklerle eleman burkulma boyu düşürülmeli ya da kesit rijitliği arttırılarak kritik burkulma yükü arttırılmalıdır.

Burkulması Önlenmiş Çelik Çapraz ve Çalışma Mekanizması

Japon akademisyenler çeliğin bu karakteristik davranış sorununa çözüm olarak birçok konsept denemiştir ve en etkili model olarak çelik bir plakadan oluşan çekirdeğin etrafınının yine çelik bir tüple çevrelemek ve iki elemanın arasını beton şerbetiyle doldurmak olduğuna karar vermiştir.

    Şekil 1: Burkulması Önlenmiş Çapraz Elemanları

Burkulması önlenmiş çelik çaprazın çalışma mekanizması ise çelik çekirdeğin çapraz üstüne gelen eksenel yükü taşıması, beton kabuk ve çelik tüpün oluşturduğu koruyucu kasanın ise rijitlik sağlayarak çapraz elemanın basınç kuvveti altında burkulmasının önlenmesi şeklindedir. Bu mekanizmada kritik olan noktalardan biri çelik çekirdek ile koruyucu beton arasında “yüzey ayırıcı malzeme” kullanılması ve iki eleman arasında yük transferi olmamasıdır. Diğeri ise her elemanda olduğu üzere elemanın hiçbir bölgesinde yerel burkulmanın oluşmasının önlenmesidir. Bundan dolayı geçiş bölgesi olarak adlandırılan çekirdek ve birleşim bölgesi arasında kalan alanda daha büyük ve geniş bir kesit kullanılır.

Çapraza gelen eksenel kuvvet etkisinde çelik çekirdeğin akması ama kopmaması beklenir. Bu da elemana süneklik yeteneğini kazandırmaktadır. Çeliğin çekme altındaki pekleşmesine ek olarak basınç altında pekleşmesi de burkulması önlenmiş çaprazlarda söz konusudur ve basınç altındaki pekleşmesi çekmedekinden daha fazla olacağından pekleşme noktalarında basınç dayanımı çekme dayanımından nispeten daha fazla olacaktır. Bundan dolayı her çaprazın farklı bir dayanım fazlalığı düzeltme katsayısı vardır ve bu katsayılar ampirik olarak değil üreticiyle işbirliğiyle yapılarak belirli testlerle belirlenir.

Burkulması önlenmiş çaprazların birleşimleri bulonlu veya pimli olarak yapılır ve bu detaylar üreticiden üreticiye değişmektedir.

Burkulması önlenmiş çaprazlar taşıyıcı sistemde V, ters V, X ve K şeklinde merkezi olarak tasarlanır. Taşıyıcı sisteme göre konfigürasyonu değişebilir.

Dünyada üç tane burkulması önlenmiş çelik çapraz üreticisi bulunmaktadır. Bunlardan biri Amerikan biri Japon ve diğeri Macar firmasıdır. Burkulması önlenmiş çelik çaprazların kullanım alanları sadece çelik yapılarla sınırlı değil aynı zamanda betonarme binalarda kullanımı gerekli hesaplar yapıldığı takdirde mümkündür.

Burkulması Önlenmiş Çelik Çaprazların Avantajları ve Dezavantajları

Avantajları

1- Üniform Histeretik(Çevrimsel) Davranış

Çaprazların basınç kuvveti altında burkulmasının önlenmiş olmasından dolayı çevrimsel yüklerde(örneğin: deprem) çekmede olduğu kadar basınçta da yeterli dayanım ve şekil değiştirme davranışı sergiler.

2- Enerji Sönümleme Kabiliyeti

Döngüsel yüklerde çekme ve basınç şekil değiştirme kapasitesinin yüksek olmasından dolayı depremin getirdiği enerji daha iyi sönümlenir.

3- Ekonomiklik

Yönetmeliklerce burkulması önlenmiş çelik çaprazların kullanıldığı çerçevelerde bina davranış katsayısının R=8 alınmasının önerilmesinden ötürü deprem kuvvetinin daha az bir kısmı dayanımla karşılanacağından ötürü daha ekonomik kesitler kullanılır. Böylelikle sönümleyici olmayan elemanlar daha az zorlanmaktadır.

4- Güvenilirlik

Belirli testlerden geçtikten sonra tasarıma dahil olmasından ötürü ve basınç altında burkulmayacağından burkulması önlenmiş çaprazlar geleneksel çaprazlara göre daha güvenilirdir.

Aşağıdaki videoda burkulması önlenmiş çelik çapraz numunelerinin dinamik yükleme testi yapılmaktadır. İlgili video;

Bir diğer videoda ise burkulması önlenmiş çelik çaprazlarla tasarlanmış bir çerçevenin deprem tablası üzerinde testi yapılmaktadır. İlgili video;

Dezavantajları

1- Tasarım Zorluğu

Tasarım aşaması testlere dayandığından ötürü üretici firma ile kooperatif olarak çalışılması gerekmektedir. Uyum ve iletişim problemlerinden ötürü zaman kayıpları yaşanabilir.

2- Üretim Maliyeti

Üretim işçiliği ve teknolojisinden dolayı geleneksel çaprazlara nispeten fazla maliyet.

Kaynakça:

-Hussain Saif, Paul Van Benschoten, Mohamed Al Satari,Silian Lin. “Buckling Restrained Braced Frame (BRBF) Structures: Analysis, Design and Approvals” 2010

-Engelhardt, Michael D. “Design of Seismic-Resistant Steel Building Structures Buckling Restrained Braced Frames. University of Texas at Austin” 2007

-ASCI 341-16 “Seismic Provisionsfor Structural Steel Buildings” 2016

-R.Siva Nagaraju ve L.Trinath Buckling Restrained Braces

-Qiang Xie “State of the art of buckling-restrained braces in Asia” 2004

-Wakabayashi M, Nakamura T, Katagihara A, Yogoyama H, Morisono T. “Experimental study on the elastoplastic behavior of braces enclosed by precast concrete panels under horizontal cyclic loading: Part 1 & Part 2” 1977-1980

-Escudero, Edison Ochoa. «Comparative Parametric Study on Normal and Buckling Restrained Steel Braces.» Universita degli Studi di Pavia 2003.

-Baghbanijavid Z, Abdolrahim Jalali, Yasrebinia Y. “Seismic Response of Buckling Restrained Braced Frames under Near Fault Ground Motions” 2010

-Çiğdem Karataş “Çelik ve Alüminyum Alaşımlı Çekirdekli Burkulması Önlenmiş Çaprazların (BÖÇ) Tasarımı, Üretimi ve Yön Değiştiren Tekrarlı Yükler Etkisindeki  Davranışı” 2012

-Karimi S., and Arbabi F. “Seismic Evaluation and Cyclic Testing Of Buckling” 2008

-AISC 341-05 “Ek T” 2005